大部分學(xué)習(xí)者的最終目的就是學(xué)習(xí) Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)，Linux中的外設(shè)驅(qū)動(dòng)可以分為：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

|?字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡介

字符設(shè)備是 Linux 驅(qū)動(dòng)中最基本的一類設(shè)備驅(qū)動(dòng)，字符設(shè)備就是一個(gè)一個(gè)字節(jié)，按照字節(jié)流進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備，讀寫數(shù)據(jù)是分先后順序的。比如最常見的點(diǎn)燈、按鍵、IIC、SPI，LCD 等等都是字符設(shè)備，這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)就叫做字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

Linux 應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動(dòng)程序的調(diào)用流程

在 Linux 中一切皆為文件，驅(qū)動(dòng)加載成功以后會(huì)在“/dev”目錄下生成一個(gè)相應(yīng)的文件，應(yīng)用程序通過對這個(gè)名為“/dev/xxx”(xxx 是具體的驅(qū)動(dòng)文件名字)的文件進(jìn)行相應(yīng)的操作即可實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。 比如現(xiàn)在有個(gè)叫做/dev/led 的驅(qū)動(dòng)文件，此文件是 led 燈的驅(qū)動(dòng)文件。應(yīng)用程序使用 open 函數(shù)來打開文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函數(shù)關(guān)閉/dev/led 這個(gè)文件。open和 close 就是打開和關(guān)閉 led 驅(qū)動(dòng)的函數(shù)，如果要點(diǎn)亮或關(guān)閉 led，那么就使用 write 函數(shù)來操作，也就是向此驅(qū)動(dòng)寫入數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是要關(guān)閉還是要打開 led 的控制參數(shù)。如果要獲取led 燈的狀態(tài)，就用 read 函數(shù)從驅(qū)動(dòng)中讀取相應(yīng)的狀態(tài)。

應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，而Linux驅(qū)動(dòng)屬于內(nèi)核的一部分，因此驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于內(nèi)核空間。當(dāng)應(yīng)用層通過open函數(shù)打開/dev/led 這個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)，因用戶空間不能直接操作內(nèi)核，因此會(huì)使用“系統(tǒng)調(diào)用”的方法來從用戶空間“陷入”到內(nèi)核空間，實(shí)現(xiàn)對底層驅(qū)動(dòng)的操作。

比如應(yīng)用程序調(diào)用了open這個(gè)函數(shù)，則在驅(qū)動(dòng)程序中也應(yīng)有一個(gè)對應(yīng)的open的函數(shù)。

Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)

每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，在驅(qū)動(dòng)中都有與之對應(yīng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在 Linux 內(nèi)核文件 include/linux/fs.h 中有個(gè)叫做 file_operations 的結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體就是 Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)集合:

struct file_operations {
  struct module *owner;
  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*write) (struct file *, constchar __user *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
  ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
  int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsignedlong);
  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsignedlong);
  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
  int (*open) (struct inode *, struct file *);
  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
  int (*release) (struct inode *, struct file *);
  int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
  int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
  int (*fasync) (int, struct file *, int);
  /*省略若干行...*/
};

其中常用的函數(shù)有以下這幾種：

?

owner：擁有該結(jié)構(gòu)體的模塊的指針，一般設(shè)置為THIS_MODULE。

llseek函數(shù)：用于修改文件當(dāng)前的讀寫位置。

read函數(shù)：用于讀取設(shè)備文件。

write函數(shù)：用于向設(shè)備文件寫入(發(fā)送)數(shù)據(jù)。

poll函數(shù)：是個(gè)輪詢函數(shù)，用于查詢設(shè)備是否可以進(jìn)行非阻塞的讀寫。

unlocked_ioctl函數(shù)：提供對于設(shè)備的控制功能， 與應(yīng)用程序中的 ioctl 函數(shù)對應(yīng)。

compat_ioctl函數(shù)：與 unlocked_ioctl功能一樣，區(qū)別在于在 64 位系統(tǒng)上，32 位的應(yīng)用程序調(diào)用將會(huì)使用此函數(shù)。在 32 位的系統(tǒng)上運(yùn)行 32 位的應(yīng)用程序調(diào)用的是unlocked_ioctl。

mmap函數(shù)：用于將將設(shè)備的內(nèi)存映射到進(jìn)程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設(shè)備會(huì)使用此函數(shù)， 比如 LCD 驅(qū)動(dòng)的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應(yīng)用程序就可以直接操作顯存了，這樣就不用在用戶空間和內(nèi)核空間之間來回復(fù)制。

open函數(shù)：用于打開設(shè)備文件。

release函數(shù)：用于釋放(關(guān)閉)設(shè)備文件，與應(yīng)用程序中的 close 函數(shù)對應(yīng)。

fasync函數(shù)：用于刷新待處理的數(shù)據(jù)，用于將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤中。

aio_fsync函數(shù)：與fasync功能類似，只是 aio_fsync 是異步刷新待處理的

Linux 驅(qū)動(dòng)有兩種運(yùn)行方式

Linux 驅(qū)動(dòng)有兩種運(yùn)行方式，第一種就是將驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn) Linux 內(nèi)核中，這樣當(dāng) Linux 內(nèi)核啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序。第二種就是將驅(qū)動(dòng)編譯成模塊(Linux 下模塊擴(kuò)展名為.ko)，在Linux 內(nèi)核啟動(dòng)以后使用“insmod”命令加載驅(qū)動(dòng)模塊。在驅(qū)動(dòng)開發(fā)階段一般都將其編譯為模塊，不需要編譯整個(gè)Linux代碼，方便調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)驅(qū)動(dòng)開發(fā)完成后，根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇是否將驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)Linux內(nèi)核中。 Linux 設(shè)備號(hào) 為了方便管理，Linux 中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)設(shè)備號(hào)，設(shè)備號(hào)由主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)兩部分組成，主設(shè)備號(hào)表示某一個(gè)具體的驅(qū)動(dòng)，次設(shè)備號(hào)表示使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)設(shè)備。Linux 提供了一個(gè)名為 dev_t 的數(shù)據(jù)類型表示設(shè)備號(hào)，dev_t 定義在文件 include/linux/types.h 里面，定義如下：

typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
typedef __kernel_dev_t dev_t;

dev_t 其實(shí)就是 unsigned int 類型，是一個(gè) 32 位的數(shù)據(jù)類型。這 32 位的數(shù)據(jù)構(gòu)成了主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)兩部分，其中高 12 位為主設(shè)備號(hào)，低 20 位為次設(shè)備號(hào)。因此 Linux系統(tǒng)中主設(shè)備號(hào)范圍為 0~4095，所以大家在選擇主設(shè)備號(hào)的時(shí)候一定不要超過這個(gè)范圍。 在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了幾個(gè)關(guān)于設(shè)備號(hào)的操作函數(shù)(本質(zhì)是宏)，如下所示：

#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1) 8 


#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

?

MINORBITS：表示次設(shè)備號(hào)位數(shù)，一共20位

MINORMASK：表示次設(shè)備號(hào)掩碼

MAJOR：用于從dev_t中獲取主設(shè)備號(hào)，將dev_t右移20位即可

MINOR：用于從dev_t中獲取次設(shè)備號(hào)，取dev_t的低20位的值即可

MKDEV：用于將給定的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)的值組合成dev_t類型的設(shè)備號(hào)

設(shè)備號(hào)的分配有兩種方式，第一種是靜態(tài)分配設(shè)備號(hào)，需要開發(fā)者手動(dòng)指定設(shè)備號(hào)，并且要注意不能與已有的重復(fù)，一些常用的設(shè)備號(hào)已經(jīng)被Linux內(nèi)核開發(fā)者給分配掉了，使用“cat /proc/devices”命令可查看當(dāng)前系統(tǒng)中所有已經(jīng)使用了的設(shè)備號(hào)。；第二種是動(dòng)態(tài)分配設(shè)備號(hào)，靜態(tài)分配設(shè)備號(hào)很容易帶來沖突問題，Linux 社區(qū)推薦使用動(dòng)態(tài)分配設(shè)備號(hào)，在注冊字符設(shè)備之前先申請一個(gè)設(shè)備號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給你一個(gè)沒有被使用的設(shè)備號(hào)，這樣就避免了沖突。 設(shè)備號(hào)的申請函數(shù)

/*
dev：保存申請到的設(shè)備號(hào)。
baseminor：次設(shè)備號(hào)起始地址，一般 baseminor 為?0，也就是說次設(shè)備號(hào)從?0?開始。
count：要申請的設(shè)備號(hào)數(shù)量。
name：設(shè)備名字。
*/
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

? 設(shè)備號(hào)釋放函數(shù)

/*
from：要釋放的設(shè)備號(hào)。
count：表示從 from 開始，要釋放的設(shè)備號(hào)數(shù)量。
*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

?

| 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)模板

加載與卸載

在編寫驅(qū)動(dòng)的時(shí)候需要注冊模塊加載和卸載這兩種函數(shù)：

?

module_init(xxx_init);   //注冊模塊加載函數(shù) 
module_exit(xxx_exit);   //注冊模塊卸載函數(shù)

?

module_init()用來向Linux內(nèi)核注冊一個(gè)模塊加載函數(shù)，參數(shù)xxx_init就是需要注冊的具體函數(shù)，當(dāng)使用 “insmod” 命令加載驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，xxx_init這個(gè)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。

module_exit()用來向Linux內(nèi)核注冊一個(gè)模塊卸載函數(shù)，參數(shù)xxx_exit就是需要注冊的具體函數(shù)，當(dāng)使用“rmmod”命令卸載具體驅(qū)動(dòng)的時(shí)候 xxx_exit函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。

字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載和卸載模板如下所示：

?

/* 驅(qū)動(dòng)入口函數(shù) */
static int __init xxx_init(void) 
{ 
  /*入口函數(shù)內(nèi)容 */
  return0; 
} 


/* 驅(qū)動(dòng)出口函數(shù) */
static void __exit xxx_exit(void) 
{ 
  /*出口函數(shù)內(nèi)容*/
} 


/*指定為驅(qū)動(dòng)的入口和出口函數(shù) */
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

?

驅(qū)動(dòng)編譯完成以后擴(kuò)展名為.ko， 有兩種命令可以加載驅(qū)動(dòng)模塊:

insmod：最簡單的模塊加載命令，用于加載指定的.ko模塊，此命令不能解決模塊的依賴關(guān)系

modprobe：該命令會(huì)分析模塊的依賴關(guān)系，將所有的依賴模塊都加載到內(nèi)核中，因此更智能

modprobe 命令默認(rèn)會(huì)去/lib/modules/目錄中查找模塊（自制的根文件系統(tǒng)沒有這個(gè)目錄，需要手動(dòng)創(chuàng)建）

卸載驅(qū)動(dòng)也有兩種命令：

rmmod：例如使用rmmod drv.ko來卸載 drv.ko這一個(gè)模塊

modprobe -r：該命令除了卸載指定的驅(qū)動(dòng)，還卸載其所依賴的其他模塊，若這些依賴模塊還在被其它模塊使用，就不能使用 modprobe來卸載驅(qū)動(dòng)模塊！ ?

注冊與注銷

對于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)模塊加載成功以后需要注冊字符設(shè)備，同樣，卸載驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)候也需要注銷掉字符設(shè)備。

字符設(shè)備的注冊函數(shù)原型如下所示:

?

/*
major:主設(shè)備號(hào)
name:設(shè)備名字，指向一串字符串
fops:結(jié)構(gòu)體 file_operations 類型指針，指向設(shè)備的操作函數(shù)集合變量
*/
static?inline?int?register_chrdev(unsigned?int?major,?const?char?*name,const?struct?file_operations?*fops)

?

字符設(shè)備的注銷函數(shù)原型如下所示:

?

/*
major：要注銷的設(shè)備對應(yīng)的主設(shè)備號(hào)。
name：要注銷的設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備名。
*/
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

?

一般字符設(shè)備的注冊在驅(qū)動(dòng)模塊的入口函數(shù)?xxx_init 中進(jìn)行，字符設(shè)備的注銷在驅(qū)動(dòng)模塊的出口函數(shù)?xxx_exit 中進(jìn)行。

?

staticstruct file_operations test_fops;


/* 驅(qū)動(dòng)入口函數(shù) */
static int __init xxx_init(void) 
{ 
??/*?入口函數(shù)具體內(nèi)容?*/
??int?retvalue?=?0;?
??/*?注冊字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)?*/
??retvalue?=?register_chrdev(200,?"chrtest",?&test_fops);?
  if(retvalue < 0)
    { 
    /*  字符設(shè)備注冊失敗, 自行處理 */
  } 
  return0; 
} 


/* 驅(qū)動(dòng)出口函數(shù) */
static void __exit xxx_exit(void) 
{ 
  /* 注銷字符設(shè)備驅(qū)動(dòng) */
  unregister_chrdev(200, "chrtest"); 
} 


/* 將上面兩個(gè)函數(shù)指定為驅(qū)動(dòng)的入口和出口函數(shù) */
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

要注意的一點(diǎn)就是，選擇沒有被使用的主設(shè)備號(hào)；

// 查看當(dāng)前已經(jīng)被使用掉的設(shè)備號(hào)
cat /proc/devices

?

實(shí)現(xiàn)設(shè)備的具體操作函數(shù)

file_operations 結(jié)構(gòu)體就是設(shè)備的具體操作函數(shù)，在上圖代碼中定義了file_operations結(jié)構(gòu)體類型的變量test_fops，但是還沒對其進(jìn)行初始化，也就是初始化其中的 open、release、read 和 write 等具體的設(shè)備操作函數(shù)。

假設(shè)對chrtest這個(gè)設(shè)備有如下兩個(gè)要求：

能夠?qū)崿F(xiàn)打開和關(guān)閉操作：需要實(shí)現(xiàn) file_operations 中的open和release?這兩個(gè)函數(shù)

能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行讀寫操作：需要實(shí)現(xiàn) file_operations 中的read和write這兩個(gè)函數(shù)

?

/*打開設(shè)備*/
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
??/*用戶實(shí)現(xiàn)具體功能*/
  return0; 
}
/*從設(shè)備讀取*/
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 
{ 
??/*用戶實(shí)現(xiàn)具體功能*/
  return0; 
}
/*向設(shè)備寫數(shù)據(jù)*/
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 
{ 
??/*用戶實(shí)現(xiàn)具體功能*/
  return0; 
}


/*關(guān)閉釋放設(shè)備*/
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
??/*用戶實(shí)現(xiàn)具體功能*/
  return0; 
}


/*文件操作結(jié)構(gòu)體*/
staticstruct file_operations test_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,    
  .open = chrtest_open, 
  .read = chrtest_read, 
  .write = chrtest_write, 
  .release = chrtest_release, 
}; 


/*驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)*/
static int __init xxx_init(void) 
{ 
  /*入口函數(shù)具體內(nèi)容*/
  int retvalue = 0; 


  /*注冊字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)*/
  retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops); 
  if(retvalue < 0)
  { 
    /*字符設(shè)備注冊失敗*/
  } 
  return0; 
}


/*驅(qū)動(dòng)出口函數(shù)*/
static void __exit xxx_exit(void) 
{
  /*注銷字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)*/
  unregister_chrdev(200, "chrtest"); 
}


/*指定為驅(qū)動(dòng)的入口和出口函數(shù)*/
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

?

一開始編寫了四個(gè)函數(shù)：chrtest_open、chrtest_read、chrtest_write和 chrtest_release。這四個(gè)函數(shù)就是 chrtest 設(shè)備的 open、read、write 和 release 操作函數(shù)。結(jié)構(gòu)體配置就是初始化 test_fops 的 open、read、write 和 release 這四個(gè)成員變量。

? 添加 LICENSE 和作者信息 最后需要在驅(qū)動(dòng)中加入 LICENSE(許可) 信息和作者信息，其中 LICENSE 是必須添加的，否則的話編譯的時(shí)候會(huì)報(bào)錯(cuò)，作者信息可以添加也可以不添加。 LICENSE 和作者信息的添加使用如下兩個(gè)函數(shù)：

MODULE_LICENSE() //添加模塊 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模塊作者信息

?

/* 打開設(shè)備 */
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  /* 用戶實(shí)現(xiàn)具體功能 */
  return 0;
}
......


/* 將上面兩個(gè)函數(shù)指定為驅(qū)動(dòng)的入口和出口函數(shù) */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

? LICENSE 采用 GPL 協(xié)議，有時(shí)候協(xié)議是很有必要的，特別是開源的項(xiàng)目，對于常用的協(xié)議還是要有一定的了解。?

?